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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
ESCOLA DE ENGENHARIA
ENGENHARIA MECÂNICA
BRUNO GREBIN GASPAROTTO
RENAN DA ROSA VIANA
SIMEÃO RIBEIRO DA LUZ
CONSTRUÇÃO DE UMA PONTEIRA VERTICAL PARA
OTIMIZAR A DESCARGA DE GASES QUENTES
Porto Alegre
2013
BRUNO GREBIN GASPAROTTO
RENAN DA ROSA VIANA
SIMEÃO RIBEIRO DA LUZ
CONSTRUÇÃO DE UMA PONTEIRA VERTICAL PARA
OTIMIZAR A DESCARGA DE GASES QUENTES
Prof. Dr. Paulo Smith Schneider
Trabalho final da disciplina de Medições
Térmicas apresentado ao Departamento
de Engenharia Mecânica da Universidade
do Rio Grande do Sul como parte dos
requisitos para obtenção do conceito final
da disciplina.
Porto Alegre
2013
RESUMO
O presente trabalho tem como objetivo a construção de um dispositivo (denominado de
ponteira) instalado na descarga de uma tubulação vertical, simulando uma chaminé, com a
finalidade de auxiliar a saída de uma corrente de ar aquecida que é lançada por meio de um
ventilador, e realizar as medições de temperatura e vazão no fim do escoamento. A ponteira é
sujeita a uma ventilação forçada, efetuada por outro ventilador externo, simulando situações
climáticas, e com isso, interferindo no escoamento do ar sobre a chaminé. Idealizou-se uma
ponteira de formato cônico, com o intuito de fazer com que o escoamento de ar externo
auxilie na descarga de ar, escoando pela geometria do dispositivo, aumentando a vazão na
ponteira. Para realizar as medidas de temperatura e vazão é utilizado respectivamente um
dispositivo NTC e confeccionado um tubo de pitot. Os resultados obtidos mostram que
devido ao escoamento externo possuir um valor muito pequeno em relação ao escoamento
interno, o perfil cônico se mostrou ineficaz, pois gera muita perda de carga devido ao
estrangulamento gerado.
PALAVRAS-CHAVE: Chaminé, descarga, perda de carga, vazão, temperatura.
ABSTRACT
This work aims to develop a device (called tip) installed in a vertical discharge pipe,
simulating a fireplace, with the purpose of assisting the output of a stream of heated air that is
thrown by a fan and make measurements of temperature and flow rate at the end of the flow.
The tip is subjected to a forced ventilation performed by other external fan, simulating
weather conditions, and thus, interfering with the flow of air over the fireplace. Conceived to
be a cone-shaped tip, in order to make the flow of outside air assists in the discharge of air
flowing by the device geometry, increasing the flow in the tip. To perform the measurements
of temperature and flow is used respectively NTC device and accomplished a pitot tube. The
results show that due to the external flow has a very small value compared to the inner flow,
the tip was ineffective because it generates a lot of pressure loss due to the bottleneck created.
KEY-WORDS: Chimney, discharge, head loss, flow rate, temperature.
1
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO .................................................................................................................. 2
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ........................................................................................... 2
3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ..................................................................................... 2
3.1. Pressão ......................................................................................................................... 2
3.2. Termoresistores ............................................................................................................... 3
3.3. Tubo de Pitot ................................................................................................................... 3
4. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS ........................................................................................ 5
5. PROJETO ........................................................................................................................... 5
6. RESULTADOS E ANÁLISES .......................................................................................... 8
7. CONCLUSÃO .................................................................................................................... 9
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..................................................................................... 10
ANEXOS .................................................................................................................................. 11
ANEXO A – Datasheet dos NTCs utilizados. ...................................................................... 11
ANEXO B – Trecho da Norma NBR 14518 ........................................................................ 12
LISTA DE FIGURAS Figura 1 Pressões existentes em um Duto Simples .................................................................... 3
Figura 2 Tubo de Pitot ................................................................................................................ 4
Figura 3 Esquema da bancada montada para o ensaio das ponteiras ......................................... 5 Figura 4 Perfil da chaminé construída ........................................................................................ 6 Figura 5 Medidores de Vazão e pressão instalados .................................................................... 6
Figura 6 Esboço do projeto de ponteira ...................................................................................... 7 Figura 7 Calibração do tubo de Pitot .......................................................................................... 7
Figura 8 Calibração do medidor de temperatura ........................................................................ 8
Tabela 1 Avaliação da perda de carga devido a utilização da ponteira......................................8
2
1. INTRODUÇÃO
Em ambientes industriais, há uma grande necessidade de se remover certos gases,
vapores ou fumaça o que levou a criação de chaminés. Segundo Beyer 2013, diferenças de
temperatura interna e externa causam uma diferença de densidade, e consequentemente uma
diferença de pressão, que podem causar ventilação natural, o ar quente sobe e sai por
aberturas superiores.
O dispositivo projetado tem como função a remoção dos gases gerados por um
equipamento construído no Laboratório de Estudos Térmicos e Aerodinâmicos (LETA), que
simula uma churrasqueira através de uma resistência elétrica e dois ventiladores, um interno e
outro externo a tubulação. A disposição dos equipamentos será detalhada posteriormente
(tópico 4). O dispositivo contém um estrangulamento no duto, para que possa ocorrer a
recuperação da pressão estática perdida pelo atrito na tubulação. Foi construída uma
geometria que utiliza o vento externo para gerar um impulso para que o escoamento interno
seja exalado sem ocorrência de perda de carga.
Esta ponteira foi projetada com base nos parâmetros propostos pela NBR 14518 –
Sistemas de Ventilação para cozinhas industriais, a qual apresenta o cálculo da vazão de ar da
coifa de churrasqueira, e com condição externa de projeto, vento, nas condições de Porto
Alegre.
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Ponteiras confeccionadas para auxiliar a descarga de gases quentes com o auxilio de um
escoamento externo do ar não são comuns. Não foi encontrado na bibliografia nenhum
dispositivo que fosse avaliado em condições de escoamento forçado, como o realizado na
bancada de ensaios.
CHIARELLO, J.A. Ventilação Natural por Efeito Chaminé. 2006. Explica como
construir um modelo de chaminé, com o objetivo de realizar medições de velocidade na
abertura de saída de uma chaminé, permitindo alcançar bons resultados do modelo em relação
as condições reais.
NBR 14518, Sistemas de ventilação para cozinhas industriais. Nos diz que se deve
considerar para o dimensionamento de uma coifa para churrasqueira de combustível solido
uma velocidade média do ar de 0,51 m/s.
3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
3.1. Pressão
Segundo Beyer 2013, o consumo de pressão pelo atrito depende da rugosidade da
parede do duto, do diâmetro da tubulação, densidade do fluido, da velocidade do escoamento,
da viscosidade do fluido e do comprimento do duto. Estes termos estão colocados na equação
de Darcy-Weisbach.
3
⁄ onde
ρ
O termo f é o fator de atrito, e pode ser encontrado no diagrama de Moody.
As pressões existentes em um duto conforme Beyer 2013 são a pressão estática, que
atua em todos os sentidos de expansão do fluido, e a pressão cinética, que depende da
velocidade, e tem sentido e direção causado pela ventilação.
Essas pressões podem ser representadas de forma gráfica (figura 1).
Figura 1. Pressões existentes em um Duto Simples
3.2. Termoresistores
Os termistores são sensores fabricados com materiais semicondutores como óxido de
magnésio ou cobalto; em aplicações que exigem alta precisão, o semicondutor utilizado pode
ser o silício ou o germânio, dopados com algum outro material como o latão ou determinadas
ligas de cobre. Por serem construídos de material semicondutor, possuem a grande vantagem
de poderem ser fabricados em um tamanho físico muito pequeno.
Para a realização da medição da temperatura foi utilizado um sistema de aquisição por
diferença de resistência. Os termistores apresentam comportamento não linear, sua resistência
diminui conforme a condição de temperatura é aumentada. O termistor empregado é um NTC
10 K, que no intervalo fundamental pode apresentar valores de 10 k-ohm a 25 °C até 200 ohm
a 100 °C.
3.3. Tubo de Pitot
O tubo de Pitot é um instrumento utilizado para a medição de velocidades de
escoamentos, tanto internos quanto externos, para líquidos ou gases. O instrumento foi
apresentado em 1732 por Henry Pitot – “A ideia deste instrumento era tão simples e natural
que no momento que o concebi, corri imediatamente a um rio para fazer o primeiro
experimento com um tubo de vidro” (Benedict, 1984).
A ideia do tubo de Pitot, será apresentada a seguir.
4
Figura 3 Tubo de Pitot
Para se descobrir a velocidade do escoamento se utiliza a equação de Bernoulli,
apresentada a seguir, onde e são as massas especificas do liquido do manômetro e
massa especifica do fluido, e h altura lida no manômetro.
√
Segundo Incropera et al, 2008, a velocidade varia ao longo da seção transversal em um
escoamento interno, então é necessário se trabalhar com uma velocidade média, e a vazão
mássica se dá pela multiplicação desta velocidade média pela massa especifica do fluido e
pela área do tubo, conforme equação a seguir.
3.3. Perda de carga
Segundo FOX et al, 2006, a perda de carga é definida em um sistema entre pontos
hipotéticos 1 e 2 como a diferença total de energia mecânica por unidade de massa entre esses
dois pontos. Essa energia consumida pode ser mensurada por meio da medição da pressão nos
respectivos pontos.
Em escoamentos incompressíveis e sem transferência de calor, a perda de carga de um
sistema é causada principalmente pelo atrito entre o fluido e a tubulação. Essa situação
também pode acontecer devido a perdas localizadas, ou devido a acidentes na canalização,
como a presença de curvas, reduções e expansões de seção, válvulas e medidores de vazão.
5
4. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS
A bancada experimental apresentada na figura a seguir foi usada para ensaiar as
ponteiras propostas pelos grupos de trabalho.
Ar ambiente, succionado pelo ventilador principal escoa até uma caixa com resistência
elétrica, responsável pelo aquecimento do ar. A velocidade média do escoamento na descarga
da chaminé será prescrita em torno de 5 m/s e sua temperatura na faixa de 30 a 40ºC,
controlados pelo operador da bancada.
A ponteira deverá ser instalada na extremidade da chaminé padrão, onde também há um
segundo ventilador, que simula as condições de vento exterior perpendicular ao eixo da
chaminé.
Figura 3. Esquema da bancada montada para o ensaio das ponteiras
5. PROJETO
De acordo com o que foi previamente apresentado, para um bom dimensionamento da
ponteira deve-se corrigir uma provável perda de carga na tubulação devido ao atrito do ar com
as paredes do duto e também a possibilidade da criação de uma cortina de vento proveniente
da ventilação externa, que afetaria negativamente a saída do ar da chaminé.
A norma NBR 14518, item 5.1.2.6.1 indica que se deve considerar, para o
dimensionamento de uma coifa para churrasqueira de combustível sólido, uma velocidade
média do ar de 0,51m/s.
O Atlas Eólico do Rio Grande do Sul mostra que a velocidade média do vento no estado
é de 5,5 a 6,5m/s, porém devido a posição geográfica de Porto Alegre, conforme Ivo José
Padaratz 1977, em vários períodos do ano essa velocidade alcança os 25m/s (90km/h).
Outro ponto considerado foi a altura da ponteira, já que quanto maior for sua altura
maior será a diferença de pressão entre a boca de saída e sua base, sendo assim necessário
menor esforço para que o ar quente da churrasqueira vença a resistência oferecida pela
pressão atmosférica.
6
Nas figuras 2.5, 2.6 e 2.7 será ilustrada a ponteira projetada assim como os medidores
de vazão e temperatura.
Figura 4. Perfil da chaminé construída
Figura 5. Medidores de Vazão e pressão instalados
7
Figura 6. Esboço do projeto da ponteira (vista frontal)
Em seguida serão apresentadas as curvas de calibração utilizadas para a calibração da
vazão (Figura 2.8) e da temperatura (Figura 2.9).
Figura 7. Calibração do tubo de Pitot
Com o aumento da frequência através do inversor de frequência montado na bancada do
laboratório a vazão deve aumentar, e isso pode ser verificado através das medições obtidas,
que também foram utilizadas para calibração do sistema de medição.
0,00E+00
2,00E-03
4,00E-03
6,00E-03
8,00E-03
1,00E-02
1,20E-02
1,40E-02
1,60E-02
1,80E-02
0 5 10 15 20 25 30 35
Alt
ura
Frequencia ventilador
VAZÃO - TUBO DE PITOT
8
Figura 8. Calibração do medidor de temperatura
Pode-se observar a partir do gráfico acima que o medidor de temperatura comporta-se
praticamente de forma linear.
6. RESULTADOS E ANÁLISES
Conforme proposto no edital do trabalho as seguintes situações seriam testadas:
1A - Razão entre a vazão de ar com a ponteira e a vazão de ar sem ponteira, na ausência
de vento no exterior da chaminé;
1B- Razão entre a vazão de ar com a ponteira e a vazão de ar sem ponteira, com vento
no exterior da chaminé imposto na direção transversal da ponteira;
1C - Razão entre a vazão de ar com a ponteira e a vazão de ar sem ponteira, com vento
no exterior da chaminé imposto na direção transversal da ponteira, deslocado de 90 em
relação a medição do item anterior;
2A - Temperatura e vazão volumétrica do ar com a ponteira sem vento transversal,
juntamente com o cálculo da vazão mássica;
2B - Temperatura e vazão volumétrica do ar com a ponteira com vento transversal,
juntamente com o cálculo da vazão mássica;
2C - Temperatura e vazão volumétrica do ar com a ponteira com vento transversal,
deslocado de 90 em relação a medição do item anterior, juntamente com o cálculo da vazão
mássica.
Na realização dos testes, foi utilizada uma frequência no ventilador da tubulação de
5Hz, gerando uma velocidade do ar de 3,6 m/s, após a realização dos cálculos se encontrou
uma vazão volumétrica de 0,0071 .
1A 1B 1C
Vazão s/ ponteira (m3/s) 0,0071 0,0071 0,0071
Vazão c/ ponteira (m3/s) 0,00631 0,00678 0,00655
Razão 0,88873 0,95493 0,922253
Perda (%) 10,3 4,5 7,74
Tabela 1. Avaliação da perda de carga devido à utilização da ponteira.
0
2
4
6
8
10
12
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
RES
SITË
NC
IA (
KΩ
)
TEMPERATURA (ºC)
MEDIDOR DE TEMPERATURA
9
Para o caso 1A a vazão encontrada após a colocação da ponteira foi de 0,00631 , gerando uma razão de 0,888732, a qual significa uma perda de vazão em torno de 10,3%.
No caso 1B a vazão encontrada após a colocação da ponteira foi de 0,00678 , gerando uma razão de 0,95493, a qual significa uma perda de vazão em torno de 4,5%.
Com o vento exterior deslocado em 90º encontrou-se uma vazão de 0,00655 , gerando uma razão de 0,922535, o qual significa uma perda de vazão em torno de 7,74 %.
Para o caso 2A a temperatura medida foi de 35,85 °C, uma vazão volumétrica de ar de
0,0071m³/s e uma vazão mássica de 8.19134E-05 kg/s. Para o caso 2B a temperatura medida foi de 36 °C, vazão de volumétrica de ar com
vento exterior de 0.008695689 m³/s e uma vazão mássica de 0.00012287 kg/s. Para o caso 2C a temperatura medida foi de 36°C, a vazão volumétrica de ar com
vento exterior deslocado de 90° foi de 0.007938041 m³/s com uma vazão mássica de
0.008890606 kg/s.
7. CONCLUSÃO
Com a verificação do desempenho da chaminé na seção anterior, foi concluído que a
ponteira mostrou-se ineficaz, devido ao pequeno valor da velocidade de escoamento externo
em relação ao escoamento interno, fazendo com que o perfil do dispositivo não auxilie de
forma satisfatória a ponto de compensar a redução de sua seção final, como é visto com a
comparação da vazão volumétrica sem ponteira (0.0071 ), com a vazão volumétrica com
a ponteira (0.00631 ). Já o sistema de medição de temperatura mostrou-se apto a realizar com precisão as
medidas de temperatura do escoamento.
Para experimentos futuros dois fatores podem ser considerados para a obtenção de
melhores resultados: a) Aplicar uma menor velocidade de escoamento interno; b) Caso seja
aplicado novamente um escoamento forçado de alta velocidade deve-se eliminar a conicidade
da ponteira, a fim de reduzir a perda de carga por ela gerada.
10
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
PADARATZ, I. J., “Velocidade Básica do Vento no Brasil”. Departamento de Engenharia
Civil, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 1977.
SCHNEIDER, P. S., “Medição de Velocidade e Vazão de Fluidos”. Departamento de
Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2011.
SCHNEIDER, P. S., “Termometria e Psicrometria”. Departamento de Engenharia
Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2012.
SEMA – Secretaria do Meio Ambiente, ATLAS EÓLICO: RIO GRANDE DO SUL. Link:
http://www.sema.rs.gov.br/upload/ATLAS_EOLICO_RS_parte_001.pdf
INCROPERA/DEWITT/BERGMAN/LAVINE, “Fundamentos de Transferência de Calor
e de Massa”,2008
BEYER, P. O., “Climatização”, Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade
Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2013
11
ANEXOS
ANEXO A – Datasheet dos NTCs utilizados.
12
ANEXO B – Trecho da Norma NBR 14518
